增材制造中的加工硬化和喷丸强化

1。简介：当残余应力变得危险时

粉床 3D 打印 (PBF-LB) 是一种极端热过程。每秒的熔化和立即凝固都会使部件充满残余拉应力。这些张力实际上是将组件拉开的。

在循环机械载荷（例如旋转的驱动轴或振动的涡轮叶片）下，这些残余拉应力加起来就形成了外力。结果：粗糙表面上很快出现裂纹，部件断裂（材料疲劳）。这一关键航空航天问题的解决方案称为喷丸强化。

2。物理原理：压应力为盾

每个球都像小铁匠的锤子一样撞击表面。这会产生小而圆的凹痕。

底层材料因此发生塑性变形（应变硬化）。由于底层核心材料想要补偿这种变形，因此在表面层（组件最上面的微米）上产生了巨大的残余压缩应力“防护装甲”。

这种防护装甲会压缩材料。如果在操作过程中外部拉力作用在部件上（想要将其撕裂），则该力必须首先克服嵌入的压应力。试图从外部穿透组件的裂纹实际上会被压应力再次“挤压闭合”。

3。平滑和收缩毛孔

对于 3D 打印零件，喷丸强化具有巨大的双重效果：

• 表面平滑：极其坚硬、不平坦的“砂纸”表面（部分熔化的粉末）通过巨大的球冲击而物理平整（塑化）。 Ra值急剧下降。
• 毛孔闭合：在激光熔化过程中产生的皮下毛孔（位于表面下方）会因子弹的猛烈撞击而闭合。这些凹口（预定的断裂点）消失。

4。复杂增材制造几何形状的挑战

尽管喷丸技术很出色，但很难用于 3D 打印。

• 阿尔门强度：球的压力必须精确校准（使用阿尔门测试测量）。如果冲击力太强，脆弱的墙壁就会变形（薄壁变形）。
• 内部通道：从喷嘴射出的子弹会从墙壁（视线）上弹跳。注塑工具中深而弯曲的冷却通道无法从内部进行喷丸处理。这里必须使用磨粒流加工等昂贵的特殊工艺。

5。结论：疲劳杀手

对于航空、赛车运动或医用膝关节植入物中增材制造的钛或铝部件，喷丸处理不是可选的噱头，而是强制性的。它通常可以将部件的疲劳寿命提高十倍，并将 3D 打印的最薄弱点（拉伸应力下的粗糙边缘层）转变为最强的防护装甲。